Dráhy planet. 28. července 2015

Podobné dokumenty
Odraz na kulové ploše Duté zrcadlo

GEOMETRICKÉ APLIKACE INTEGRÁLNÍHO POČTU

Hlavní body. Keplerovy zákony Newtonův gravitační zákon. Konzervativní pole. Gravitační pole v blízkosti Země Planetární pohyby

Seznámíte se s další aplikací určitého integrálu výpočtem obsahu pláště rotačního tělesa.

Křivkový integrál prvního druhu verze 1.0

Odraz na kulové ploše

Jak již bylo uvedeno v předcházející kapitole, můžeme při výpočtu určitých integrálů ze složitějších funkcí postupovat v zásadě dvěma způsoby:

4. cvičení z Matematiky 2

Gravitační pole. a nepřímo úměrná čtverci vzdáleností r. r r

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

6. a 7. března Úloha 1.1. Vypočtěte obsah obrazce ohraničeného parabolou y = 1 x 2 a osou x.

F9 SOUSTAVA HMOTNÝCH BODŮ

integrovat. Obecně lze ale říct, že pokud existuje určitý integrál funkce podle různých definic, má pro všechny takové definice stejnou hodnotu.

Newtonův gravitační zákon Gravitační a tíhové zrychlení při povrchu Země Pohyby těles Gravitační pole Slunce

(1) přičemž všechny veličiny uvažujeme absolutně. Její úpravou získáme vztah + =, (2) Přímé zvětšení Z je dáno vztahem Z = =, a a

LINEÁRNÍ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE 2.ŘÁDU

Geometrické a fyzikální aplikace určitého integrálu. = b a. je v intervalu a, b záporná, je integrál rovněž záporný.

Hyperbola, jejíž střed S je totožný s počátkem soustavy souřadnic a jejíž hlavní osa je totožná

II. 5. Aplikace integrálního počtu

= b a. V případě, že funkce f(x) je v intervalu <a,b> záporná, je integrál rovněž záporný.

Vzorová řešení čtvrté série úloh

v 1 = at 1, (1) t 1 = v 1

Až dosud jsme se zabývali většinou reálnými posloupnostmi, tedy zobrazeními s definičním

Středová rovnice hyperboly

INTEGRACE KOMPLEXNÍ FUNKCE KŘIVKOVÝ INTEGRÁL

Funkce. Mgr. Jarmila Zelená. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

Obecně: K dané funkci f hledáme funkci ϕ z dané množiny funkcí M, pro kterou v daných bodech x 0 < x 1 <... < x n. (δ ij... Kroneckerovo delta) (4)

URČITÝ INTEGRÁL. Motivace:

11. cvičení z Matematické analýzy 2

x + F F x F (x, f(x)).

Spojitost funkce v bodě, spojitost funkce v intervalu

( ) ( ) Sinová věta II. β je úhel z intervalu ( 0;π ). Jak je vidět z jednotkové kružnice, úhly, pro které platí. Předpoklady:

F5 JEDNODUCHÁ KONZERVATIVNÍ POLE

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V PROSTORU

18. x x 5 dx subst. t = 2 + x x 1 + e2x x subst. t = e x ln 2 x. x ln 2 x dx 34.

8. cvičení z Matematiky 2

Gravitaˇcní pˇritahování a sráˇzka dvou tˇeles

4.2.7 Zavedení funkcí sinus a cosinus pro orientovaný úhel I

SYLABUS PŘEDNÁŠKY 7 Z GEODÉZIE 1

ŘEŠENÍ JEDNODUCHÝCH LOGARITMICKÝCH ROVNIC. Řešme na množině reálných čísel rovnice: log 5. 3 log x. log

Newtonův gravitační zákon

VE FYZICE A GEOMETRII. doc. RNDr. Jan Kříž, Ph.D., RNDr. Jiří Lipovský, Ph.D.

KONSTRUKTIVNÍ GEOMETRIE. Mgr. Petra Pirklová, Ph.D. kmd.fp.tul.cz Budova G, 4. patro

5.2.4 Kolmost přímek a rovin II

Stereometrie metrické vlastnosti 01

Křivkový integrál funkce

POHYB BODU V CENTRÁLNÍM POLI SIL

A) Dvouvodičové vedení

14. cvičení z Matematické analýzy 2

Úlohy krajského kola kategorie B

A DIRACOVA DISTRIBUCE 1. δ(x) dx = 1, δ(x) = 0 pro x 0. (1) Graficky znázorňujeme Diracovu distribuci šipkou jednotkové velikosti (viz obr. 1).

13. Soustava lineárních rovnic a matice

5.1.5 Základní vztahy mezi body, přímkami a rovinami

Matematické metody v kartografii

Napětí horninového masivu

26. listopadu a 10.prosince 2016

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

Příklad 22 : Kapacita a rozložení intenzity elektrického pole v deskovém kondenzátoru s jednoduchým dielektrikem

Výfučtení: Goniometrické funkce

Matice. a B =...,...,...,...,..., prvků z tělesa T (tímto. Definice: Soubor A = ( a. ...,..., ra

4.4.3 Kosinová věta. Předpoklady:

25. KONFERENCE O GEOMETRII A POČÍTAČOVÉ GRAFICE

Diferenciální operátory vektorové analýzy verze 1.1

1.7.2 Moment síly vzhledem k ose otáčení

5.1.5 Základní vztahy mezi body přímkami a rovinami

Řešení úloh krajského kola 58. ročníku fyzikální olympiády Kategorie B Autor úloh: J. Thomas

Věty o logaritmech I

Obsah rovinného obrazce

Obr. 1: Optická lavice s příslušenstvím při měření přímou metodou. 2. Určení ohniskové vzdálenosti spojky Besselovou metodou

Axiální ložiska. Průměr díry Strana. S rovinnou nebo kulovou dosedací plochou, nebo s podložkou AXIÁLNÍ VÁLEČKOVÁ LOŽISKA

Gaussovská prvočísla

Digitální učební materiál

3.2.8 Oblouková míra. Předpoklady:

( ) Mechanická práce II. Předpoklady: 1501

M A = M k1 + M k2 = 3M k1 = 2400 Nm. (2)

14 Kuželosečky v základní poloze

2.1 - ( ) ( ) (020201) [ ] [ ]

Říkáme, že přímka je tečnou elipsy. p T Přímka se protíná s elipsou právě v jednom bodě.

URČITÝ INTEGRÁL FUNKCE

ELEKTRICKÝ NÁBOJ COULOMBŮV ZÁKON INTENZITA ELEKTRICKÉHO POLE

Stereometrie metrické vlastnosti

PŘEDNÁŠKA 6 INTEGRACE POMOCÍ SUBSTITUCE

je parciální derivace funkce f v bodě a podle druhé proměnné (obvykle říkáme proměnné

4. přednáška 22. října Úplné metrické prostory. Metrický prostor (M, d) je úplný, když každá cauchyovská posloupnost bodů v M konverguje.

Hyperbola a přímka

Kinematika. Hmotný bod. Poloha bodu

Kapitola Křivkový integrál 1. druhu Délka oblouku

Sestavení pohybové rovnosti jednoduchého mechanismu pomocí Lagrangeových rovností druhého druhu

NMAF061, ZS Písemná část zkoušky 25. leden 2018

Učební text k přednášce UFY102

Masarykova univerzita

Hledání hyperbol

Integrál a jeho aplikace Tomáš Matoušek

17 Křivky v rovině a prostoru

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Určitý integrál ZVMT lesnictví 1 / 26

+ c. n x ( ) ( ) f x dx ln f x c ) a. x x. dx = cotgx + c. A x. A x A arctgx + A x A c

Definice limit I

8 Mongeovo promítání

OBECNÝ URČITÝ INTEGRÁL

MATEMATIKA II V PŘÍKLADECH

Transkript:

Dáhy plnet Pet Šlecht 28. čevence 205 Výpočet N střední škole se zpvidl učí, že dáhy plnet jsou elipsy se Sluncem v ohnisku. Tké se učí, že tento fkt je možné dokázt z Newtonov gvitčního zákon. Příslušný důkz se všk pobíá ž n vysoké škole pomocí složité mtemtiky středoškolákovi je tk nepřístupný. Cílem textu je nbídnout jednodušší ltentivu, sozumitelnou i studentovi střední školy. by byl důkz plnohodnotný, bylo by třeb někteé detily dále ozvést. Tím by všk utpěl sozumitelnost, poto byl zvolen tto fom. N obázku je zobzen situce. Slunce je oznčeno jko M, plnet jko m. Vzdálenost plnety od Slunce je. Velikost ychlosti pohybu plnety je v smě této ychlosti je učen úhlem. Vyjdeme z fktu, že gvitční síl působí přímo ke Slunci její moment síly je tedy nulový. Moment hybnosti tedy zůstává konstntní je jedním z pmetů výsledné dáhy. Dále předpokládáme, že n plnetu komě gvitce Slunce nepůsobí jiné síly. Poto je celková enegie (potenciální plus kinetická) tké konstntní je duhým pmetem. Nulovou hodnotu potencální enegie zvolíme v nekonečnu, poto hodnot celkové enegie musí být záponá, by plnet neodlétl. V nšem přípdě(obázek ) lze moment hybnosti L enegii E vyjádřit tkto: L = mvsin () E = 2 mv2 m Tyto dvě ovnice učují vzthy mezi veličinmi, v. Jelikož nám jde jen o tv dáhy ne o ychlost pohybu po ní, zbvíme se veličiny v. Vyjádříme v z pvní ovnice: v = L msin dosdíme do duhé ovnice: E = 2m 2 sin 2 m Tto ovnice nám dává do vzthu. Pokud tedy známe polohu plnety, můžeme spočítt úhel dozvíme se, kteým směem dáh pokčuje. Tím je tv dáhy zcel učen. Upvíme tedy ovnici do tvu, kteý nám umožní sndné učení úhlu ze vzdálenosti : sin 2 = 2m2 + 2mE 2 (3) Tto ovnice tedy učuje tv dáhy. My víme, že dáh by měl být elips se Sluncem v ohnisku. Zkusíme tedy ověřit, že po elipsu pltí stejný vzth jko (3). N obázku 2 je zobzen úsek elipsy s ohnisky F, délkmi poloos b výstředností e. Bod je bodem elipsy. Plnet je v bodě Slunce je v ohnisku. Úhel učuje sklon tečny t původiče, jko tomu bylo n obázku. Původič F svíá s tečnou t stejný úhel. V elipse se totiž ppsek vycházející z jednoho ohnisk odáží do duhého ohnisk. Nyní nlezneme vzth mezi úhlem vzdáleností. To lze povést pomocí kosínové věty, potože známe délky všech stn tojúhelník F. Musíme si jen vyjádřit velikost úhlu β pomocí úhlu tké budeme potřebovt cos β. β = π 2 cosβ = cos(π 2) = cos2 = (cos 2 sin 2 ) = 2sin 2 (2)

v m M Obázek : Veličiny t β 2-2e F Obázek 2: Elips 2

ds ds Obázek 3: Opsná ploch Kosínová vět říká: 4e 2 = 2 +(2 ) 2 2(2 )cosβ Dosdíme z cos β spočítný výz dostneme: 4e 2 = 2 +(2 ) 2 2(2 )(2sin 2 ) Nyní vše oznásobíme zkusíme vyjádřit sin 2. Vyjde: sin 2 = 2 2 e 2 2 e 22 Jelikož v elipse pltí 2 = b 2 +e 2, lze vzth zjednodušit n: sin 2 = 2 b 2 b 22 Je vidět, že vzthy (3) (4) jsou stejné, tedy plnet obíhá skutečně po elipse. Tím jsme odvodili. Kepleův zákon. Sovnáním koeficientů u obou ovnic dostneme: 2 b 2 = 2m2 b 2 = 2mE Pokud známe moment hybnosti L enegii E, lze z těchto ovnic vypočítt ozměy dáhy (těch mínusů se netřeb bát, potože E je záponé): = m 2E b = L 2mE (4) Nebo nopk známe-li ozměy dáhy, lze spočítt enegii E moment hybnosti L: E = m 2 L = bm (5) (6) 3

N obázku 3 je vidět, že posune-li se plnet o mlou dáhu ds, opíše původič plochu ds: ds = ds sin 2 Při pohybu ychlostí v je tedy plošná ychlost w: w = ds dt = 2 ds dt sin = 2 vsin Část vsin lze vyjádřit z (), tedy dostneme: w = L 2m Chceme-li vycházet z ozměů dáhy, dosdíme z L z (6): w = b 2 Je vidět, že velikost plošné ychlosti vůbec nezávisí n poloze plnety n dáze je konstntní. Tím jsme tedy ukázli pltnost 2. Kepleov zákon. Elips je vlstně potáhlá kužnice. Při potžení jedním směem k-kát se velikost plochy libovolného ovinného útvu zvětší tké k-kát. To smozřejmě pltí i po kužnici, z čehož ihned plyne, že ploch celé elipsy je: (7) S = πb (8) Tuto plochu původič opíše během jednoho oběhu. Potože plošnou ychlost známe (je dán ovnicí (7)), můžeme dobu oběhu T spočítt: T = S w = πb2 b 3 T = 2π (9) Je vidět, že dob oběhu záleží pouze n hmotnosti Slunce délce hlvní poloosy dáhy, přičemž duhá mocnin oběžné doby je přímo úměná třetí mocnině délky hlvní poloosy. Tím jsme tedy ukázli pltnost 3. Kepleov zákon. bychom uměli popst polohu plnety n dáze, zvedeme soustvu souřdnic podle obázku 4. Slunce je v ohnisku, plnet v bodě, bod S je střed elipsy. Jk jsme říkli, elips je potžená kužnice, tkže souřdnice bodu jsou: x = cosϕ e, y = bsinϕ (0) Přitom úhel ϕ nelze n obázku njít u kužnice by to vlstně byl úhel BS, ten se všk potžením zdefomuje, tkže u elipsy jde jen o jkýsi pmet, kteý učuje polohu bodu. Opět zopkuji, že elips je potžená kužnice že potžením se ploch libovolného ovinného útvu úměně zvětší. To lze smozřejmě plikovt i n kuhovou výseč, ze kteé potžením vznikne výseč elipsy s vcholy BS. Tto výseč tedy má plochu: S V = ϕ 2π S Přitom S je ploch celé elipsy, dná vzthem (8). Dosdíme dostneme: S V = b 2 ϕ Slunce se všk nchází v ohnisku, tkže by se plnet dostl z bodu B do bodu, opíše původič pouzeplochusvcholyb.musímetedyodečístplochutojúhelníku S, kteáje (použijeme(0)): S = 2 ey = 2 ebsinϕ Odečtením dostneme plochu opsnou původičem: S P = S V S = b 2 ϕ 2 ebsinϕ = b 2 (ϕ esinϕ) 4

y S S P F S B x Obázek 4: Soustv souřdnic Známe-li tuto plochu plošnou ychlost (viz (7)), lze sndno spočítt čs t, během kteého se plnet dostne z peihelu B do bodu : t = S P w Dosdíme z S P w vyjde: t = (ϕ esinϕ) = (ϕ 2 b 2 sinϕ) Chceme-li tedy znát polohu plnety v libovolném čse t, njdeme podle ovnice () hodnotu ϕ z ovnic (0) již ihned dostneme žádné souřdnice. Výpočet ϕ je všk třeb dělt numeicky, ovnice nejde jednoduše upvit do potřebného tvu. 2 Poděkování V původní vezi z 4. září 2009 jsem neuvedl poděkování. Poto ho nyní doplňuji, jde vlstně o jedinou změnu. Chtěl bych moc poděkovt Vojtovi Hálovi z jeho dy, kteé přispěly k zjednodušení přehlednosti výpočtu jeho použitelnosti jko didktické pomůcky. () 5